超声波测声速

物理仿真实验报告

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实验名称：超声波测声速

一实验目的

1．了解超声波的发射和接收方法。

2．加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。

3．掌握用驻波法和相位法测声速。

二实验仪器

超声声速测定仪、函数信号发生器和示波器

三实验原理

由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f λ，只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）测量。下图是超声波测声速实验装置图。

（1）驻波法测波长

由声源发出的平面波经前方的平面反射后，入射波与发射波叠加，它们波动

方程分别是：

叠加后合成波为：

各点振幅最大，称为波腹，对应的位置：

（n =0,1,2,3……)

各点振幅最小，称为波节，对应的位置：

( n =0,1,2,3……)因此只要测得相邻两波腹（或波节）的位置Xn、X n-1即可

得波长。

（2）相位比较法测波长

从换能器S1发出的超声波到达接收器S2，所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差：

其中λ是波长，x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变2π。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

四实验内容及步骤

1．接线

首先选择测量的方法，然后开始连接测量电路，如下页图7所示。在示波器的X接口, 示波器的Y接口, 示波器的同步接口,信号发生器的输出端口, 超声速测定仪的左磁鼓, 超声速测定仪的右磁鼓和超声速测定仪上标上红线的接口处可以连线。连线时鼠标选中上述接口，然后按住不放，拖到需要连接的另一接口后松开鼠标。如果连线的两端已有连线，则此操作将去掉连线。如果连接时，连线两端尚未连接，则此操作在两接口间连上接线。

线路连接好后，鼠标右键单击，弹出主菜单，选中接线检查。若连线正确，就可以正式开始实验，否则需要继续连线。

2．调整仪器

通过接线检查后，双击各仪器弹出其放大窗口，调整该仪器。

（1）示波器的使用与调整

使用示波器时候，请先调整好示波器的聚焦。然后鼠标单击示波器的输入信号的接口，把信号输入示波器。接着调节通道1，2的幅度微调，扫描信号的时基微调。最后选择合适的垂直方式选择开关，触发源选择开关，内触发源选择开关，Auto-Norm-X-Y开关，在示波器上显示出需要观察的信号波形。输入信道的信号是由实验线路的连接决定的。

（2）信号发生器的调整

根据实验的要求调整信号发生器，产生频率大概在35KHz左右，幅度为5V 的一个正弦信号。由于本实验测声速的方法需要通过换能器（压电陶瓷）共振把电信号转为声信号，然后再转为电信号进行的，所以在开始测量前需要调节信号的频率为换能器的共振频率。在寻找共振频率时，通过调节信号发生器的微调旋钮，观察示波器上信号幅度是否为最大来逐步寻找的。

(3) 超声速测定仪的使用

超声速测定仪是由两个换能器和游标卡尺组成的，

在超声速测定仪中，左边的换能器是固定的，右边的换能器是与游标卡尺的滑动部分连接在一起的。这样，左右换能器间的距离就可以通过游标卡尺来测量出来，在上图的下半部分是一个放大的游标卡尺的读数图。

当把鼠标移动到右边的换能器上后，会出现“ ”标志，表明此时可以移动。按下鼠标左键，向左移动，按下右键，向右移动。移动的幅度可以通过“调节状态”的“粗调”和“细调”来控制。

3. 寻找到超声波的频率（就是换能器的共振频率）后，只要测量到信号的波长就可以求得声速。我们采用驻波法和相位比较法来测量信号波长:

（1）驻波法

信号发生器产生的信号通过超声速测定仪后，会在两个换能器件之间产生驻波。改变换能器之间的距离（移动右边的换能器）时，在接收端(把声信号转为

电信号的换能器)的信号振幅会相应改变。当换能器之间的距离为信号波长的一半时，接受端信号振幅为最大值。

实验中调节示波器的垂直方式选择开关，触发源选择开关，内触发源选择开关，Auto-Norm-X-Y 开关，使屏幕上显示出接受端信号，图见前面“调整仪器”中“示波器的使用与调整”部分。然后，一边移动右边换能器，一边观察示波器上的信号幅度。当信号幅度为最大值时，通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。两个相邻的信号幅度最大时换能器间的距离差就是波长的一半。 （2）相位比较法

由于两个换能器间有距离，这样在两个换能器处的信号有一相位差。当换能器间距离改变一个波长时，相位差改变2π。

实验中调节示波器的垂直方式选择开关，触发源选择开关，内触发源选择开关，Auto-Norm-X-Y 开关，使屏幕上显示出两个换能器端信号产生的李撒如图 。然后，一边移动右边换能器，一边观察示波器上的李撒如图。当观察到两个信号的相位差改变2π时，通过放大的游标卡尺读出此时换能器间的距离。

五 实验数据及处理

超声波的频率为：33.7千赫兹 （1）驻波法 n 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第6次 s/cm 0.98 1.44 1.94 2.48 3.01 3.54

用逐差法测得波长为

m

cm 01.0123

)

98.048.2()44.101.3()94.154.3(==?-+-+-=

λ

声波波速为：m v 33701.010007.33=??=/s

不确定度：max{i λλ-}=0.067 (i=1,2,3) （2）相位法 n 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第6次 s/cm 1.05

2.03

3.01

3.95

5.02

6.04

用逐差法测得波长为

m

cm 00991.0991.03

3)

05.195.3()03.202.5()01.304.6(==?-+-+-=

λ

声波波长为：m v 33400991.010007.33=??=/s 不确定度：max{i λλ-}=0.033

六 思考题

1．固定距离，改变频率，以求声速。是否可行？ 答：不可以，频率改变时，波速也随之改变，所以改变频率测波速无任何意义。

2．各种气体中的声速是否相同？为什么？

答：不一样，声音是一种波，受气体的阻力而衰减，不同气体的密度不同衰减当然不一样了所以传播速度不一样。